fpga是什么,带你了解什么是fpga

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5月底,《日经亚洲评论》援引业内人士透露,华为已储备2年的美国关键芯片,尤其希望多储备对5G基站至关重要的进口FPGA(现场可编程门阵列)。

顶着“万能芯片”美誉的FPGA,在2020年开始刷足了存在感,不仅是各大救命呼吸机的核心组件,也是5G、AI、大数据中心等热门新基建项目的一个关键动力源泉。

FPGA可编程逻辑阵列

据市场研究机构MRFR统计,2019年全球FPGA市场规模约为69亿美元,预计到2025年市场规模有望达到125亿美元。

一方面,我国5G新基建蒸蒸日上,推动FPGA市场需求走高;另一方面,美国竖起的技术铁幕,迫使国产FPGA力量加速成长。

时代使然的多重因素交汇于同一赛道,在半导体自主替代的大潮中,“可用”已经难以满足市场对FPGA的需求,如不想被上游来自国外的枷锁困住手脚,国产玩家必须具备敢与世界一流竞争对手扳手腕的雄心,以及扛住压力攻关先进技术的恒心。

在这场背负着振兴国产FPGA的竞赛中,我们现有实力距离国际先进水平还有多远?细数国内FPGA八大主要玩家,谁又最有希望冲在前列?

01 三十五载风雨路,两大美国寡头垄断FPGA江湖上世纪80年代,Ross Freeman一个激进的设想——让芯片像一张白布,工程师可通过重新编程在其上添加功能,使其能适应不断变化的标准和规格。

Freeman于1948年出生于密歇根州,21岁本科毕业于密歇根州立大学物理学,23年获伊利诺伊大学硕士学位,30多岁时在Zilog的Components部门任工程总监。

在周边人眼中,Freeman的创新想法多少有些怪异。

那个时代,晶体管价值珍贵到堪比黄金,但Freeman的这一设想需要往一颗芯片上塞大量昂贵的晶体管,似乎与当时的芯片主流观念背道而驰。

其团队核心成员之一、后来成为赛灵思第八号雇员的Bill Carter曾回忆道:“当他描述完FPGA的概念之后,我第一个念头就是,疯了!这是史上对晶体管最不靠谱的浪费。”

Ross Freeman天才的设想

不过,外部的质疑并没有将Freeman的创新想法扼杀于摇篮,怀揣着对摩尔定律的信仰,他说服了自己当时的领头上司——Zilog副总裁兼微处理器部总经理Bernard Vonderschmitt,共同创立全新的公司赛灵思(Xilinx)。

1985年,赛灵思推出全球第一款FPGA产品XC2064。当时这个仅有不到1000个逻辑门数的创新可编程芯片,因为尚不明晰的商业落地前景,并没得到业界主流的重视。

但正如Freeman所预料的,晶体管成本随着时间的推移稳步下降,这使得FPGA逐渐成为广泛应用中定制芯片的经济又灵活的替代品。

正是从此开始,一个全新半导体帝国逐渐崛起,历经35年风雨飘摇,正向一个百亿美元市场发起冲刺,赛灵思更是连年主宰这一市场的半壁江山。

赛灵思和它的产品系列

从消费电子、工业控制、医疗成像、航空航天、通信到汽车,FPGA在多类市场展现出不可或缺的应用价值。

1989年9月26日,美国公布了一项由赛灵思申请的新专利——“由可配置的逻辑元器件及互联组成的可配置电路”,这是FPGA发展进程中具有里程碑意义的一个节点。遗憾的是,专利公布后不到1个月,FPGA之父Ross Freeman因长年慢性病的折磨而与世长辞。

一代半导体巨擘离去,但FPGA巨轮还在加速驶向前方。

过去35年间,FPGA市场风云变幻。根据公开报道,全球有60多家公司先后斥资数十亿美元踏入FPGA领域,其中不乏英特尔、IBM、德州仪器、东芝、三星等芯片巨头,然而多数公司最终铩羽而归。

实力强大如英特尔,最终也没选择从零起步,而是在2015年花费167亿美元巨资收购当时的全球第二大FPGA制造商Altera,这才顺利跻身FPGA市场。

02 收购国际FPGA公司受阻,国产替代依赖国内玩家2015年左右,全球FPGA市场已呈现高度集中的“两大两小”市场格局,“两大”指的是赛灵思和Altera,“两小”指的是莱迪斯(Lattice)和美高森美(Microsemi)。

电子产业素来老大吃肉、老二喝汤,到老三捡到的肉渣也就够塞牙缝了。光是“两大”FPGA寡头就占据了近90%的FPGA市场份额,而中国厂商所占份额估计不足4%。

FPGA厂家市场占有率

莱迪斯是最早进入我国的FPGA供应商,不过先一步占领市场并未带给莱迪斯先发优势,到90年代下半年,随着赛灵思和Altera陆续将视线移向中国,莱迪斯的市场被逐步蚕食。

从90年代起,中国学术界已开始探索FPGA技术,复旦大学、中科院均为重要力量。到2010年后,安路科技、西安智多晶、紫光同创、广东高云等我国知名FPGA企业先后成立。

在探索FPGA的历程中,我国逐渐从反向设计阶段走向正向设计,国内对FPGA的应用需求也在增长。但时至今日,国产厂商在全球FPGA代表玩家中依然排不上号。

2016年11月,由中资支持的私募基金Canyon Bridge Capital Partners试图以13亿美元收购莱迪斯,然而一年后,这一交易被美国海外投资委员会(cfIUS)以担忧国家安全为由叫停。

多家涉及海外并购交易的科技公司对CFIUS这只“拦路虎”都不陌生。此前日本富士通收购仙童半导体被否决、紫光收购存储芯片巨头美光受阻、福建宏芯基金收购德国半导体设备制造商爱思强被中断等都是CFIUS的“功劳”。

莱迪思并购案告吹,意味着中国无法走海外并购主流公司的捷径来实现FPGA自主可控,发展国产FPGA企业是眼下最为可行也是必行之径。

无论是传统的航空航天、通信、工业、消费电子等应用,还是新兴的AI、5G通信、工业互联网、自动驾驶、云计算、边缘计算、物联网市场,对FPGA的需求均在持续走高。

据市场研究机构MRFR统计,全球FPGA市场规模在2013年约为45.62亿美元,去年达到约69亿美元,到2022年有望突破100亿大关。

2013-2025年FPGA市场规模增长情况

理论上,如果门电路的规模足够大,FPGA通过编程能实现任意芯片的逻辑功能,它也因故有“万能芯片”之称。

相比cpu、GPU等通用芯片,FPGA并行计算效率更高、计算速度更快,功耗和延时更低。

相比被固化不能修改的专用芯片(ASIC),FPGA因其可根据不同场景重新编程的特点,有灵活性高、开发周期短、小批量成本低的优势,能更快的应用市场需求变化。

这使得FPGA在需求快速变化的应用领域成为独一无二的存在,也是我国国产FPGA供应商必须攻下的堡垒。

无论是方兴未艾的5G基站建设,还是走向异构计算的云边端AI加速,只要5G标准仍在变化,AI算法和物联网需求尚未定型,FPGA都将扮演相当重要的角色。

4G基站与5G基站所需芯片价值量对比

FPGA在多个市场的重要性与日俱增,再加上美国在该领域拥有绝对垄断优势,致使FPGA已成为其制约他国贸易的有效工具之一。

随着美国进一步升级其出口管制措施,越来越多国内厂商意识到,抵御技术孤立主义的最有利武器,唯有自强不息。

03 扛起国产替代大旗!八大国内FPGA玩家近年来,除了在军工领域摸爬滚打外,国内FPGA企业已将其自研产品应用于通信、工业、军工航天、消费电子的部分领域,并开始向数据中心、智能终端等应用延展。

中国FPGA产业市场分布情况

当前我国主流的国产FPGA产品多采用55nm及40nm制程工艺,最先进FPGA制程尚在28nm,与已达到7nm的国际先进水准尚有不小距离。

但乐观来看,我国FPGA玩家已开始加速奔跑,一方面追赶高端FPGA,另一方面在部分民用中低端市场已具备替代国际FPGA产品的实力。

这里我们重点列数八家有望冲刺民用市场中高端FPGA产品的国产FPGA厂商,包括1家北京企业、3家上海企业、1家广州企业、1家深圳企业、1家西安企业和1家成都企业。

以下排名按成立时间倒序:

国产FPGA主要公司

下一篇文章,将对中国八大FPGA厂家进行详细介绍,对此感兴趣的网友可以关注我,我将在明天继续发文,谢谢。

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